[ネット技] 7. ネットワークインタフェース層の技術(2)-2

woody_1227 オーナー 公式アカウント

Ethernetの本質
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※テスト範囲はここから※


・ネットワークの機能は回線交換機に集中
 ・伝送路 = 回線交換機
  ・複雑な制御や高度な機能をすべて処理
   端末の識別(電話番号管理)、伝送制御 ... etc.
 ・端末(電話機)の機能は単純
  ・電気信号と音声の相互変換
  ・安価に大量に作れる
・サービスの主導権は通信事業者


・ネットワークの機能は端末に分散
 ・伝送路はたった1本のケーブル
  ・複雑な制御や高度な情報管理は不可能
 ・端末はコンピュータ
  ・高価だがあらゆることが可能
  ・伝送路は何もせず、すべての機能を端末で処理
・サービスの主導権は端末とアプリケーションへ
 ・コンテンツの提供側が通信事業を主導

フレームフィールドの詳細
フレームを構成する各フィールドの詳細を見てみよう


Ehernetは でノードを識別
MACアドレス(Media Access Control Address)
物理アドレス、フィジカルアドレスと言うこともある

MACアドレスはハードウェア固定
世界中に存在するノードはすべて固有のMACアドレスを持つ

MACアドレスの構造




このような階層構造をとることで、すべてのノードのアドレスを一意にできる

OUIは が管理
・OUIを検索してみよう(1)
 ・MACアドレスの確認法
  ・Windows コマンド 
  ・Linux または コマンド
  ・Solaris コマンド(管理者権限が必要)


・OUIを検索してみよう(2)
 ・Google等で、"ieee mac" をキーワード検索


MACアドレスの構造




・各ノードのNICは を受信できる
・上位プロトコルに渡すフレームは
 ・自分宛の
 ・自分宛の
 ・


データの種類はタイプで指定

・タイプは運んでいるデータのプロトコルを示すコード番号
 ・コードは (10)= (16)より大きな値が割り当てられる
 ・IPv4: 2048(10)=0800(16)
 ・IPv6: 34525(10)=86DD(16)
  … etc. (詳細はテキストP112)


でのエラー検出

( )
 ・受信フレームが送信時と同じか判断するための検査データ
 ・宛先アドレス、送信元アドレス、タイプ、データの4つの領域に一定の計算式を当てはめて算出
  ① 送信時にFCSをセット
  ② 受信時にFCSを再計算
  ③ ①と②のFCSの値が 一致: 、 不一致:
  ・計算式はCRC(Cyclic Redundancy Check:巡回冗長検査)
・エラーフレームは破棄して、送信元に通知
 ・再送制御などは が担う

ところで、
・フレームの切れ目はどうやって判断するの?
 ・CSMA/CDは早い者勝ちで送信
  ・フレームの送信開始や終了を誰も予測できない
 ・データサイズは可変長
  ・but. フレームにはデータサイズを示す情報は存在しない


フレームを認識する仕組み

: クロックの同期をとる
( ): 次からフレームが始まる

とは
・1ビットの伝送に要する時間を1とした、時間単位
 ・Ethernetは、時間を実時間ではなくビット時間で規定
  ・規格によって伝送速度が異なる
  ・ビット時間なら、伝送速度が異なっても同じ物差しが使える
・伝送速度ごとの1ビット時間の長さ
 ・1ビット時間は
  ・10Mbps = 1/(10×106[s]) = 0.1[μs]
  ・100Mbps = 1/(100×106[s]) = 0.01[μs]
  ・1000Mbps = 1Gbps = 1/(1000×106[s]) = 0.001[μs]

フレーム形式はもう1つある
フォーマット( : DEC, Intel, Xerox)

フォーマット

DIXフォーマットが早期に普及してしまったので、実際にはほとんど使われていない

フレームサイズについて考察

・なぜ最大データサイズは1500バイトか
 ・サイズは大きいほど伝送効率は
 ・あまり大きくすると…
  ・一台の端末がネットワークを
 ・コストを下げるため、当時(1980年頃)のメモリ価格から妥当なサイズにした
・なぜ最小データサイズは46バイトか
 ・フレームサイズでは、64バイト(6+6+2+46+4) = 512ビット
 ・ と密接な関係

最初のEthernetの技術目標

・媒体アクセス制御方式: CSMA/CD
・最大伝送速度: 10Mbps
・4台のリピータで最大2400mまで延長

CSMA/CDが成立するには…
ケーブル端で発生した をもう一方の端で確実に検出できなければならない

衝突が発生する最悪の場合

ここで衝突を検出しても、データが 、Aは自分のフレームが と判断してしまう

最も遠いところでの衝突を検出するには




両端の往復時間でデータが残るフレーム長は?

同軸ケーブルの信号伝搬速度: 19万[Km/s] (光速の約2/3弱)
リピータの遅延時間: 2.5[µs]
データ伝送速度: 10Mbps

必要なフレーム長を計算してみよう

(1)往復に要する時間


(2)1ビットのデータを伝送するのに要する時間(ビット時間)


(3)(1)の時間で伝送できるビット数
463[bit]

2^8 = 256[bit] < 463[bit] < 2^9 = 512[bit] =


CSMA/CDを支配する

 ・最小サイズのフレームを伝送するのに要する時間
  = ビット時間
 ・すべてのEthernet規格でフレーム形式は
  →スロット時間もすべて ビット時間
・512ビット時間で伝送できる距離と伝送速度
 ・最小フレームを伝送できる距離=
 ・10Mbps: スロット時間=51.2[µs] … 2500[m]
 ・100Mbps: スロット時間=5.12[µs] … 250[m]
 ・1000Mbps: スロット時間=0.512[µs] … 25[m]
  ・25[m]という距離は実用上使いにくい
  ・1000BASE-T Ethernetは、互換性を維持しながら伝送距離を延ばすために多大な苦労

ギガ・ビットEthernet
・ギガ・ビットEthernetの2つのこだわり
 ・速度へのこだわり
  ・10Mbps → 100Mbps → 次は1000Mbps = 1Gbps
 ・CSMA/CDへのこだわり
  ・10BASE5 から100BASE-TX まで続いた互換性を維持
・ギガ・ビットEthernet規格策定では、これらを
 同時に実現したいと考えた(1995年)
 ・このために随分無理をしている
  ・伝送速度を10倍にすると、伝送可能な距離は

フレーム長を強引に拡張
・1Gbpsでの最大伝送距離
 ・10Mbps:2500[m] →
・伝送距離を稼ぐにためにスロット時間を延ばす
 ・64バイトの最短フレーム長 → 8倍の512バイトに
 ・最大伝送距離 25[m]×8 = 200[m]

これでは伝送効率も1/8に → 高速化した意味がない!

で伝送効率改善
・10M/100MビットEthernet

・ギガ・ビットEthernet

: 伝送路を解放せずにフレームを送り続けること

そんなに無理しなくても、…スイッチがあるじゃない
・CSMA/CDが意味を持つのは?
 ・伝送路を する 通信のみ
  ・10M/100MのEthernetで、リピータハブを使う場合
  ・100BASE-TXの普及期(1990年代後半)、既にスイッチの時代に
を使った 通信では
 ・送信と受信は独立した伝送路 → コリジョンは
  ・ は必要ない
  ・スイッチには接続段数の制限もない
・苦労はしたものの
 ・キャリアエクステンションやフレームバースト
  ・規格には残るが…
  ・現在のギガ・ビットEthernetではほとんど実装されていない

Ethernetの本質と未来
・10G Ethernetでは、CSMA/CDを捨てた
・あらためてEthernetとは

 ・このフレーム形式を使うデータリンク規格
・次世代のEthernet
 ・速度を上げ、より広範囲で使われるように
  ・100GBASE-SR10 (マルチモード光ファイバ): 100[m]
  ・100GBASE-LR4 (シングルモード光ファイバ): 10[Km]
  ・100GBASE-ER4 (シングルモード光ファイバ): 40[Km]